一文讀懂電源濾波器及其設(shè)計(jì)技巧
2023/9/12 10:02:39??????點(diǎn)擊：
本文介源濾波器的作用、原理、要求和步驟，以及一些設(shè)計(jì)的技巧和注意事項(xiàng)。
高頻紋波會(huì)直接穿過(guò)線性穩(wěn)壓器。紋波來(lái)自開(kāi)關(guān)電源、數(shù)字電路和無(wú)線電干擾。在頻率高于 10 kHz 時(shí)，大多數(shù)線性穩(wěn)壓器開(kāi)始失效。分布在芯片之間的小旁路電容在約1MHz時(shí)開(kāi)始有效。由電感和電容組成的低通濾波電路，可以去除10kHz到1MHz之間的紋波。
一個(gè)好的電源濾波器可以由一個(gè)電感和一個(gè)阻尼電容組成。這被稱(chēng)為L(zhǎng)C濾波器。也有可能使用更多或更少的元件設(shè)計(jì)其他類(lèi)型的濾波器。設(shè)計(jì)過(guò)程是首先是電感選型，然后圍繞它設(shè)計(jì)濾波器。如果不能設(shè)計(jì)出一個(gè)可接受的濾波器，就要找出電感的問(wèn)題所在，選擇一個(gè)更好的電感，然后重試。
在上圖的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)中，假設(shè)電源穩(wěn)壓器是在板外，通過(guò)連接器輸入一個(gè)穩(wěn)定的電壓。當(dāng)有一個(gè)本地穩(wěn)壓器時(shí)，設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，有時(shí)可以減少電源濾波器。
電源濾波器在穩(wěn)壓器后面，所以它需要有一個(gè)低的直流電壓降。電感的數(shù)據(jù)表有一個(gè)直流電阻的值。電壓降大約是這個(gè)電阻乘以電流的20%多。額外的20%是為了考慮到在高溫下電感的銅線電阻的增加。
在這個(gè)例子中，我想使用一根 300mm 的電纜為 PCB 供電，PCB的尺寸是大約100mm X 100mm。一個(gè)寬裕的總長(zhǎng)度是500mm，這意味著我的電源分配電感大約是500nH。為了讓電源濾波器的電感比這個(gè)大十倍左右，我選擇了一個(gè)10uH +/- 30%的電感。額外的電感是為了考慮-30%的公差。除了初始的公差之外，電感值隨著電流的增加而下降。這個(gè)電感，當(dāng)流過(guò)它的電流是 2.4安培時(shí)，電感值會(huì)下降 35%。
我選擇了Bourns SRU1028系列的電感。它有低高度，自屏蔽，而且容易獲得。我通過(guò)在Digi-Key上搜索一個(gè)低成本、至少2安培電流等級(jí)的10uH電感來(lái)找到它。
下圖是此型號(hào)的電感模型：
上圖的電感模型使用了四個(gè)元件。電感L和數(shù)據(jù)表上的L相同。串聯(lián)電阻RESR和數(shù)據(jù)表上的RDC相同。RQ和CSRF的值是根據(jù)數(shù)據(jù)表上的fSRF，Q和Q測(cè)試頻率計(jì)算出來(lái)的。
這些額外的元件使得電感具有上圖所示的阻抗特性。實(shí)線曲線是阻抗的分貝幅值，虛線曲線是阻抗的相位角（phase angle）。在1kHz以下，電感表現(xiàn)為一個(gè)小電阻RDC。在1kHz以上，它表現(xiàn)為一個(gè)電感，直到接近自諧振頻率（SRF）。在SRF附近的一小段頻率范圍內(nèi)，電感表現(xiàn)為一個(gè)大阻值電阻，其值為RQ。在SRF以上，電感表現(xiàn)為一個(gè)電容CSRF。
從這里開(kāi)始，使用電路仿真潤(rùn)建可以節(jié)省時(shí)間。免費(fèi)的模擬器LTspic使用下圖的仿真原理圖創(chuàng)建了上圖的電感阻抗圖。
電源 V1 是 1V 交流電源。阻抗可以用-1/(i(V1))這個(gè)表達(dá)式來(lái)繪制。
這個(gè)濾波器的頻率響應(yīng)是V(VOUT)/V(VIN)，但由于在仿真中V(VIN) = 1，所以我們直接看V(VOUT)的輸出曲線是一樣的。
高Q值、低ESR的陶瓷電容已經(jīng)在許多應(yīng)用中取代了鉭電容。接下來(lái)，我嘗試了使用低ESR的陶瓷電容進(jìn)行模擬，而不是使用鉭電容。
15.9kHz的峰值是LB和CB的共振。共振就好像我們唱歌時(shí)，當(dāng)我們唱到某個(gè)特定的音高時(shí)，聲音會(huì)變得更響亮。在這里，LB和CB就像是一個(gè)共鳴箱子，當(dāng)它們受到15.9kHz的聲音波動(dòng)時(shí)，就會(huì)共振并發(fā)出更強(qiáng)的聲音。
這個(gè)頻率下的電源紋波會(huì)增加而不是減少。由于這種共振的頻率范圍很窄，所以在測(cè)試中很容易忽略這種共振的影響。LB和CB的值有較大的公差，而且隨著時(shí)間和溫度的變化而漂移。為了解決這個(gè)共振問(wèn)題，可以增加一個(gè)串聯(lián)電阻。一個(gè)好的阻尼電阻值的初步估計(jì)是：
使用電路仿真軟件來(lái)找到第一個(gè)共振點(diǎn)，并調(diào)整電阻值來(lái)找到最佳的阻尼值。陶瓷電容和電阻是比鉭電容更可重復(fù)的設(shè)計(jì)。這是因?yàn)殂g電容的ESR可能有很大的取值范圍。
這些替代走線的電感在電力分配網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)為額外的諧振（resonances ）。
當(dāng)負(fù)載表現(xiàn)為電感和電容時(shí)，仿真波形會(huì)多出一些額外的諧振（resonances）。盡管有這些諧振，這個(gè)濾波器的性能仍然很好。濾波器的整體形狀得以保留，因?yàn)殡姼斜刃∝?fù)載電感的總和要大得多，而阻尼電容比旁路電容的總和要大得多。
這個(gè)電路板和真實(shí)的電路仍然有一些區(qū)別。由于傳輸線效應(yīng)，真實(shí)世界的電路在100MHz以上的頻率下會(huì)有不同的響應(yīng)。另外，其他小電和電感也變得重要，特別是在500MHz以上的頻率下。
如果沒(méi)有電源濾波電路，或者使用一個(gè)大的沒(méi)有阻尼的電容，會(huì)導(dǎo)致像這樣的諧振：
但是，有時(shí)候旁路電容會(huì)和電源網(wǎng)絡(luò)中的電感產(chǎn)生共振。這就好像我們唱歌時(shí)，聲音會(huì)在房間里反射出來(lái)，導(dǎo)致聲音變得更響亮。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要在電源輸入處加入一個(gè)過(guò)濾器來(lái)減弱這種共振。就好像我們?cè)诔钑r(shí)，如果我們把房間的門(mén)窗關(guān)上，聲音就不會(huì)反射出來(lái)，變得更加柔和。
旁路電容還可以與電源分配網(wǎng)絡(luò)中的電感共振。在電源輸入濾波器處阻尼共振并不能保證所有由負(fù)載電流引起的共振也會(huì)被阻尼，但通常會(huì)有所幫助。為了演示潛在問(wèn)題，這里是未阻尼（R3 = 0.01歐姆）版本的濾波器，其中一個(gè)負(fù)載點(diǎn)有一個(gè)交流電流源。
VLOAD處的阻抗為v(VLOAD)/i(I1)。由于I1中的交流電流設(shè)定為1，所以阻抗就是v(VLOAD)：
上面的無(wú)阻尼共振頻率為1.87兆赫。這是一個(gè)脈沖負(fù)載會(huì)引起問(wèn)題的一個(gè)頻率。
我用上面示意圖中顯示的脈沖電流源模擬了脈沖負(fù)載。這個(gè)例子顯示了幅值為20mA、周期為535ns的脈沖。當(dāng)脈沖電流源的周期與共振頻率的倒數(shù)相等時(shí)，電壓擺動(dòng)最大。
在這個(gè)例子中，紋波電壓的正弦波形是電力分配中未阻尼、高Q值共振的典型特征。未阻尼共振作為一個(gè)濾波器，將電流脈沖轉(zhuǎn)化為正弦電壓波形。
如果在仿真結(jié)束時(shí)電壓仍在增長(zhǎng)，請(qǐng)?jiān)黾臃抡鏁r(shí)間以找到最大值。更尖銳（更高的Q因子）的共振需要更長(zhǎng)時(shí)間來(lái)穩(wěn)定下來(lái)。
在睡眠模式電流脈沖的例子中，軟件的改變會(huì)導(dǎo)致脈沖的頻率發(fā)生變化。由于共振引起的大幅度電壓波動(dòng)只有在睡眠周期與共振頻率相一致時(shí)才會(huì)發(fā)生。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，這可能會(huì)導(dǎo)致一些神秘的錯(cuò)誤，看起來(lái)是軟件相關(guān)的，但實(shí)際上是由硬件引起的。在生產(chǎn)過(guò)程中，元件的變化會(huì)使共振頻率發(fā)生偏移，導(dǎo)致生產(chǎn)問(wèn)題。在使用過(guò)程中，溫度變化和元件漂移會(huì)使共振頻率發(fā)生偏移，導(dǎo)致產(chǎn)品失效。
下一個(gè)仿真波形顯示了阻尼版本，電阻R3設(shè)置為3.8歐姆。交流分析顯示，最大的兩個(gè)高Q共振已經(jīng)被阻尼：
這改變了脈沖負(fù)載電流引起的形狀并降低了電壓波形。
這種三角波形是脈沖負(fù)載的典型特征。它是由局部旁路電容的充放電周期造成的。這種三角波的幅度可以通過(guò)增大旁路電容來(lái)減小。如果紋波波形看起來(lái)更像一個(gè)方波，那么它是由旁路網(wǎng)絡(luò)的電阻引起的，可以通過(guò)使用低ESR的旁路電容或更寬的走線來(lái)減小。開(kāi)啟時(shí)的長(zhǎng)而緩慢的脈沖是由100KHz處阻尼的低頻共振引起的。短暫的尖峰是10ns電流源邊緣的穿透，可以通過(guò)降低旁路電容路徑的電感來(lái)減小。大約4MHz處剩余的共振需要進(jìn)一步模擬。
· 電源濾波器的作用是去除電源上的高頻紋波，這些紋波可能來(lái)自開(kāi)關(guān)電源、數(shù)字電路或無(wú)線干擾。高頻紋波會(huì)影響線性穩(wěn)壓器的效果，導(dǎo)致電路不穩(wěn)定或失效。
· 電源濾波器的原理是利用一個(gè)電感和一個(gè)電容組成的LC濾波器，形成一個(gè)低通濾波器，只讓低頻信號(hào)通過(guò)，而阻止高頻信號(hào)。LC濾波器的截止頻率和阻尼系數(shù)取決于電感和電容的值，以及串聯(lián)或并聯(lián)的阻尼電阻。
· 電源濾波器的要求是要有足夠大的電感值和電容值，以覆蓋10kHz到1MHz之間的頻率范圍，同時(shí)要有足夠小的直流壓降和阻尼電阻，以減少功耗和熱量。另外，還要考慮元件的公差、溫度漂移、寄生參數(shù)等因素，以保證濾波器的穩(wěn)定性和可靠性。
· 電源濾波器的設(shè)計(jì)步驟是先根據(jù)電路的需求和條件，估算出所需的電感值和電容值，然后選擇合適的元件，并用電路模擬器進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。如果發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理或不滿(mǎn)足要求，就要重新選擇元件或調(diào)整參數(shù)，直到達(dá)到預(yù)期的效果。
高頻紋波會(huì)直接穿過(guò)線性穩(wěn)壓器。紋波來(lái)自開(kāi)關(guān)電源、數(shù)字電路和無(wú)線電干擾。在頻率高于 10 kHz 時(shí)，大多數(shù)線性穩(wěn)壓器開(kāi)始失效。分布在芯片之間的小旁路電容在約1MHz時(shí)開(kāi)始有效。由電感和電容組成的低通濾波電路，可以去除10kHz到1MHz之間的紋波。
一個(gè)好的電源濾波器可以由一個(gè)電感和一個(gè)阻尼電容組成。這被稱(chēng)為L(zhǎng)C濾波器。也有可能使用更多或更少的元件設(shè)計(jì)其他類(lèi)型的濾波器。設(shè)計(jì)過(guò)程是首先是電感選型，然后圍繞它設(shè)計(jì)濾波器。如果不能設(shè)計(jì)出一個(gè)可接受的濾波器，就要找出電感的問(wèn)題所在，選擇一個(gè)更好的電感，然后重試。
在上圖的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)中，假設(shè)電源穩(wěn)壓器是在板外，通過(guò)連接器輸入一個(gè)穩(wěn)定的電壓。當(dāng)有一個(gè)本地穩(wěn)壓器時(shí)，設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，有時(shí)可以減少電源濾波器。
電源濾波器在穩(wěn)壓器后面，所以它需要有一個(gè)低的直流電壓降。電感的數(shù)據(jù)表有一個(gè)直流電阻的值。電壓降大約是這個(gè)電阻乘以電流的20%多。額外的20%是為了考慮到在高溫下電感的銅線電阻的增加。
電感選型
在這個(gè)例子中，我想使用一根 300mm 的電纜為 PCB 供電，PCB的尺寸是大約100mm X 100mm。一個(gè)寬裕的總長(zhǎng)度是500mm，這意味著我的電源分配電感大約是500nH。為了讓電源濾波器的電感比這個(gè)大十倍左右，我選擇了一個(gè)10uH +/- 30%的電感。額外的電感是為了考慮-30%的公差。除了初始的公差之外，電感值隨著電流的增加而下降。這個(gè)電感，當(dāng)流過(guò)它的電流是 2.4安培時(shí)，電感值會(huì)下降 35%。
我選擇了Bourns SRU1028系列的電感。它有低高度，自屏蔽，而且容易獲得。我通過(guò)在Digi-Key上搜索一個(gè)低成本、至少2安培電流等級(jí)的10uH電感來(lái)找到它。
下圖是此型號(hào)的電感模型：
上圖的電感模型使用了四個(gè)元件。電感L和數(shù)據(jù)表上的L相同。串聯(lián)電阻RESR和數(shù)據(jù)表上的RDC相同。RQ和CSRF的值是根據(jù)數(shù)據(jù)表上的fSRF，Q和Q測(cè)試頻率計(jì)算出來(lái)的。
這些額外的元件使得電感具有上圖所示的阻抗特性。實(shí)線曲線是阻抗的分貝幅值，虛線曲線是阻抗的相位角（phase angle）。在1kHz以下，電感表現(xiàn)為一個(gè)小電阻RDC。在1kHz以上，它表現(xiàn)為一個(gè)電感，直到接近自諧振頻率（SRF）。在SRF附近的一小段頻率范圍內(nèi)，電感表現(xiàn)為一個(gè)大阻值電阻，其值為RQ。在SRF以上，電感表現(xiàn)為一個(gè)電容CSRF。
從這里開(kāi)始，使用電路仿真潤(rùn)建可以節(jié)省時(shí)間。免費(fèi)的模擬器LTspic使用下圖的仿真原理圖創(chuàng)建了上圖的電感阻抗圖。
電源 V1 是 1V 交流電源。阻抗可以用-1/(i(V1))這個(gè)表達(dá)式來(lái)繪制。
電容選型
這個(gè)濾波器的頻率響應(yīng)是V(VOUT)/V(VIN)，但由于在仿真中V(VIN) = 1，所以我們直接看V(VOUT)的輸出曲線是一樣的。
高Q值、低ESR的陶瓷電容已經(jīng)在許多應(yīng)用中取代了鉭電容。接下來(lái)，我嘗試了使用低ESR的陶瓷電容進(jìn)行模擬，而不是使用鉭電容。
15.9kHz的峰值是LB和CB的共振。共振就好像我們唱歌時(shí)，當(dāng)我們唱到某個(gè)特定的音高時(shí)，聲音會(huì)變得更響亮。在這里，LB和CB就像是一個(gè)共鳴箱子，當(dāng)它們受到15.9kHz的聲音波動(dòng)時(shí)，就會(huì)共振并發(fā)出更強(qiáng)的聲音。
這個(gè)頻率下的電源紋波會(huì)增加而不是減少。由于這種共振的頻率范圍很窄，所以在測(cè)試中很容易忽略這種共振的影響。LB和CB的值有較大的公差，而且隨著時(shí)間和溫度的變化而漂移。為了解決這個(gè)共振問(wèn)題，可以增加一個(gè)串聯(lián)電阻。一個(gè)好的阻尼電阻值的初步估計(jì)是：
使用電路仿真軟件來(lái)找到第一個(gè)共振點(diǎn)，并調(diào)整電阻值來(lái)找到最佳的阻尼值。陶瓷電容和電阻是比鉭電容更可重復(fù)的設(shè)計(jì)。這是因?yàn)殂g電容的ESR可能有很大的取值范圍。
負(fù)載網(wǎng)絡(luò)建模
這些替代走線的電感在電力分配網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)為額外的諧振（resonances ）。
當(dāng)負(fù)載表現(xiàn)為電感和電容時(shí)，仿真波形會(huì)多出一些額外的諧振（resonances）。盡管有這些諧振，這個(gè)濾波器的性能仍然很好。濾波器的整體形狀得以保留，因?yàn)殡姼斜刃∝?fù)載電感的總和要大得多，而阻尼電容比旁路電容的總和要大得多。
這個(gè)電路板和真實(shí)的電路仍然有一些區(qū)別。由于傳輸線效應(yīng)，真實(shí)世界的電路在100MHz以上的頻率下會(huì)有不同的響應(yīng)。另外，其他小電和電感也變得重要，特別是在500MHz以上的頻率下。
如果沒(méi)有電源濾波電路，或者使用一個(gè)大的沒(méi)有阻尼的電容，會(huì)導(dǎo)致像這樣的諧振：
負(fù)載電流
但是，有時(shí)候旁路電容會(huì)和電源網(wǎng)絡(luò)中的電感產(chǎn)生共振。這就好像我們唱歌時(shí)，聲音會(huì)在房間里反射出來(lái)，導(dǎo)致聲音變得更響亮。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要在電源輸入處加入一個(gè)過(guò)濾器來(lái)減弱這種共振。就好像我們?cè)诔钑r(shí)，如果我們把房間的門(mén)窗關(guān)上，聲音就不會(huì)反射出來(lái)，變得更加柔和。
旁路電容還可以與電源分配網(wǎng)絡(luò)中的電感共振。在電源輸入濾波器處阻尼共振并不能保證所有由負(fù)載電流引起的共振也會(huì)被阻尼，但通常會(huì)有所幫助。為了演示潛在問(wèn)題，這里是未阻尼（R3 = 0.01歐姆）版本的濾波器，其中一個(gè)負(fù)載點(diǎn)有一個(gè)交流電流源。
VLOAD處的阻抗為v(VLOAD)/i(I1)。由于I1中的交流電流設(shè)定為1，所以阻抗就是v(VLOAD)：
上面的無(wú)阻尼共振頻率為1.87兆赫。這是一個(gè)脈沖負(fù)載會(huì)引起問(wèn)題的一個(gè)頻率。
我用上面示意圖中顯示的脈沖電流源模擬了脈沖負(fù)載。這個(gè)例子顯示了幅值為20mA、周期為535ns的脈沖。當(dāng)脈沖電流源的周期與共振頻率的倒數(shù)相等時(shí)，電壓擺動(dòng)最大。
在這個(gè)例子中，紋波電壓的正弦波形是電力分配中未阻尼、高Q值共振的典型特征。未阻尼共振作為一個(gè)濾波器，將電流脈沖轉(zhuǎn)化為正弦電壓波形。
如果在仿真結(jié)束時(shí)電壓仍在增長(zhǎng)，請(qǐng)?jiān)黾臃抡鏁r(shí)間以找到最大值。更尖銳（更高的Q因子）的共振需要更長(zhǎng)時(shí)間來(lái)穩(wěn)定下來(lái)。
在睡眠模式電流脈沖的例子中，軟件的改變會(huì)導(dǎo)致脈沖的頻率發(fā)生變化。由于共振引起的大幅度電壓波動(dòng)只有在睡眠周期與共振頻率相一致時(shí)才會(huì)發(fā)生。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，這可能會(huì)導(dǎo)致一些神秘的錯(cuò)誤，看起來(lái)是軟件相關(guān)的，但實(shí)際上是由硬件引起的。在生產(chǎn)過(guò)程中，元件的變化會(huì)使共振頻率發(fā)生偏移，導(dǎo)致生產(chǎn)問(wèn)題。在使用過(guò)程中，溫度變化和元件漂移會(huì)使共振頻率發(fā)生偏移，導(dǎo)致產(chǎn)品失效。
下一個(gè)仿真波形顯示了阻尼版本，電阻R3設(shè)置為3.8歐姆。交流分析顯示，最大的兩個(gè)高Q共振已經(jīng)被阻尼：
這改變了脈沖負(fù)載電流引起的形狀并降低了電壓波形。
這種三角波形是脈沖負(fù)載的典型特征。它是由局部旁路電容的充放電周期造成的。這種三角波的幅度可以通過(guò)增大旁路電容來(lái)減小。如果紋波波形看起來(lái)更像一個(gè)方波，那么它是由旁路網(wǎng)絡(luò)的電阻引起的，可以通過(guò)使用低ESR的旁路電容或更寬的走線來(lái)減小。開(kāi)啟時(shí)的長(zhǎng)而緩慢的脈沖是由100KHz處阻尼的低頻共振引起的。短暫的尖峰是10ns電流源邊緣的穿透，可以通過(guò)降低旁路電容路徑的電感來(lái)減小。大約4MHz處剩余的共振需要進(jìn)一步模擬。
總結(jié)
· 電源濾波器的作用是去除電源上的高頻紋波，這些紋波可能來(lái)自開(kāi)關(guān)電源、數(shù)字電路或無(wú)線干擾。高頻紋波會(huì)影響線性穩(wěn)壓器的效果，導(dǎo)致電路不穩(wěn)定或失效。
· 電源濾波器的原理是利用一個(gè)電感和一個(gè)電容組成的LC濾波器，形成一個(gè)低通濾波器，只讓低頻信號(hào)通過(guò)，而阻止高頻信號(hào)。LC濾波器的截止頻率和阻尼系數(shù)取決于電感和電容的值，以及串聯(lián)或并聯(lián)的阻尼電阻。
· 電源濾波器的要求是要有足夠大的電感值和電容值，以覆蓋10kHz到1MHz之間的頻率范圍，同時(shí)要有足夠小的直流壓降和阻尼電阻，以減少功耗和熱量。另外，還要考慮元件的公差、溫度漂移、寄生參數(shù)等因素，以保證濾波器的穩(wěn)定性和可靠性。
· 電源濾波器的設(shè)計(jì)步驟是先根據(jù)電路的需求和條件，估算出所需的電感值和電容值，然后選擇合適的元件，并用電路模擬器進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。如果發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理或不滿(mǎn)足要求，就要重新選擇元件或調(diào)整參數(shù)，直到達(dá)到預(yù)期的效果。
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